焊接温度对钛合金扩散焊接头组织与性能的影响

于康， 周俊， 周杰

(1.上海空间推进研究所,上海201112；2.上海空间发动机工程技术研究中心,上海201112)

0 前言

随着航空、航天、武器装备性能要求的不断提高，对于材料性能的要求越来越苛刻[1-2]，而TC4钛合金具有耐腐蚀、比强度高、高温性能良好等优点，在航天、航空、武器等领域有很好的应用前景[3-4]。随着对材料研究的深入和加工技术的发展, TC4钛合金的综合性能被逐步得到更全面的认识和更广泛的应用，因此受到国内外的广泛关注[5]。

目前，国内外主要采用氩弧焊、激光焊[6-7]、电子束焊[8-9]、钎焊[10]、扩散焊等焊接方法进行TC4钛合金材料的连接。但氩弧焊、激光焊、电子束焊作为熔焊方法，对于精度要求较高的产品显然无法满足，且其无法实现一些特殊部位的焊接；钎焊作为一种TC4钛合金材料连接的常见方法被广泛使用，但钎焊漫流性过大，易导致母材熔蚀，堵孔等缺陷；扩散焊作为一种新型的TC4钛合金连接方法，日益引起了学者的重视，成为该材料连接领域的新热点。扩散焊与熔焊及钎焊相比，具有以下的优点：①扩散焊接头的显微组织和性能与母材相同或接近，不存在各种熔焊缺陷，不存在过热组织的热影响区；②可以进行内部及多点、大面积构件的连接，以及电弧可达性不好或熔焊方法不能实现的连接。

目前，上海空间推进研究所主要采用Ti-Zr-Ni-Cu材料作为中间层进行钛合金扩散钎焊连接，但该种中间层脆性大，加工困难，同时材料有较多孔洞缺陷，且价格昂贵。Ni箔与Ti-Zr-Ni-Cu材料相比，材料塑韧性较好，组织致密，可以采用激光切割加工方法，加工效率高，且价格便宜。文中结合TC4钛合金材料的性能，研究采用加Ni箔中间层材料的扩散焊技术。

1 试验材料及方法

文中采用的材料为TC4钛合金。TC4钛合金材料为α+β双相组织，晶粒为等轴晶。扩散焊试验采用的中间层为纯Ni箔片，箔片厚度为14 μm。表1为TC4钛合金材料的化学成分。

表1 TC4钛合金化学成分(质量分数，%)

将TC4待焊表面用Keller试剂(1.0 mL HF + 1.5 mL HCl + 2.5 mL HNO3+ 95 mL H2O)清洗去除TC4氧化膜，经去离子水清洗后，将其与中间层材料Ni箔一起置于无水乙醇中清洗 5 min，冷风吹干。

试验选用的扩散焊设备为真空辐射加热扩散焊炉(MOV353HP)，主要参数如下：最高工作温度1 350 ℃；有效工作区：300 mm×300 mm×200 mm。焊后采用电子扫描显微镜对接头界面形貌进行观察。

2 结果及讨论

2.1 中间层选择依据

结合国内外文献及二元相图，TC4钛合金材料中主要元素Ti与Cu，Nb，Ni元素相容性较好，因此TC4钛合金间接扩散焊一般采用以上3种箔状材料进行焊接。Cu箔材料塑性较好，与Ti元素扩散速度快，扩散温度低，可以实现固相和液相扩散连接，但Cu元素挥发明显，且与航天产品推进剂不兼容，因此限制了其使用范围；Nb与Ti无限固溶，但在低于钛合金相变温度以下进行的扩散连接主要为固相扩散连接，扩散过程无液相产生，要求扩散压力较大，因此变形较大，不利于精度要求较高的产品。因此，文中选用纯Ni箔作为中间层进行TC4钛合金材料扩散焊。采用Ni中间层优点如下：①Ni箔材料高温塑性比TC4钛合金好，可以缓解钛合金的变形，使接触表面能很好的实现物理接触，为实现良好的扩散连接提高条件，避免界面处孔洞的产生；②由Ni-Ti二元相图可知，钛与镍会形成NiTi，NiTi2和Ni3Ti等金属间化合物，但Ni箔较薄时，其金属间化合物含量较低，此时金属间化合物具有一定的塑性，能够缓解一定的接头应力；③Ni箔中间层的加入形成了硬/软/硬接头，由于三向应力的作用，接触强化，界面处的塑性变形受到高强母材的约束而提高了接头性能。

由Ni-Ti二元相图可知，Ni与Ti元素在942 ℃时形成低熔共晶，因此焊接温度选择在942 ℃附近。TC4钛合金扩散焊是在钛合金结合面上加入与其基体元素Ti生成共晶组织的Ni中间层。在扩散焊前期，中间层Ni与TC4本身并不熔化，但随着Ni-Ti元素之间的相互扩散，发生接触反应，形成低熔共晶，液相漫流，填充原始接触孔隙，由于共晶液相的存在加速了扩散过程，使靠近界面区域逐层达到共晶成分而液化，直到中间金属Ni完全扩散并溶于TC4中，形成成分均匀，组织相近的牢固接头。

2.2 焊接温度对接头界面组织的影响

根据公式(1)阿伦尼乌斯方程可知：扩散系数D与焊接温度T、激活能E有指数关系，温度越高扩散系数越大，供给金属原子扩散所需的能量越高，从而界面间互相扩散的程度越大。焊接温度不仅影响钛合金原子的扩散能力,也影响其屈服强度，从而影响接头的焊合率及接头中成分、组织的均匀性，在整个扩散过程中均起重要作用。随着温度的升高，激活能E的降低，元素扩散程度逐渐加剧。

(1)

式中：D为扩散系数；D0为扩散常数；E为扩散过程的激活能；R为气体常数；T为绝对温度。

图1为保温时间120 min、焊接压力0.1 MPa、不同焊接温度下接头及母材的微观组织。

图1 保温时间120 min、焊接压力0.1 MPa、不同焊接温度下接头及母材微观组织

通过图1a可以看出，当焊接温度为920 ℃时，由于温度低于Ni-Ti共晶点温度942 ℃，随着Ti-Ni元素之间的相互扩散，中间层Ni箔始终以固相形式存在，因此TC4/Ni/TC4界面处元素始终为固相扩散，由于温度较低，且元素固相扩散激活能E较大，元素扩散较缓慢，焊后中间层厚度与Ni箔原厚度相比略有增加，为16.83 μm，且由于界面处没有液相的存在，扩散压力太小导致界面处物理接触状态较差，界面处有明显的孔洞存在，如图1a、图1b、图1c所示。当焊接温度达到Ni-Ti共晶点以上，为950 ℃时，在扩散初期阶段为固相扩散连接，由于焊接温度相对较高，元素扩散过程较快，随着元素扩散过程的进行，当Ni，Ti元素比例接近共晶点比例时，由于焊接温度超过共晶点温度，界面处形成液相，此时扩散过程变为TC4/低熔共晶组织/残留Ni箔/低熔共晶组织/TC4，固液之间的元素扩散激活能较固相扩散激活能E小很多，依据公式(1)可知，元素扩散剧烈进行，最终使固相中间层完全以Ti-Ni共晶液相组织的形式存在，在扩散冷却过程中最终形成如图1d、图1e所示的组织状态，反应层较厚，但由于液相流动不佳焊缝中心有孔隙缺陷。当焊接温度达970 ℃瞬间液相扩散反应完全，焊缝中Ni含量降低，焊缝成分逐渐均匀，焊缝形成跨界面的联生晶粒。当焊接温度达980 ℃时焊缝成分更加均匀，但焊缝组织更加粗大，TC4基体组织也开始明显长大，如图1f、图1g、图1h所示。综上所述，确定TC4钛合金扩散焊焊接温度为970 ℃。

2.3 焊接温度对接头力学性能的影响

为了研究焊接温度对扩散焊接头力学性能的影响，对不同焊接温度参数下获得的扩散焊接头进行拉伸试验，拉伸数据如图2所示，拉伸试棒如图3所示。从图2可以看出，随着焊接温度的升高，接头的抗拉强度按不同梯度逐步增高；当焊接温度在920～940 ℃时，界面扩散过程以固相扩散为主，扩散反应较慢，抗拉强度较低，远低于TC4母材的抗拉强度；当焊接温度在940～960 ℃时，界面扩散兼容固相扩散和液相扩散，接头处扩散不充分，均存在扩散孔洞；当焊接温度为960 ℃时，抗拉强度能达到729 MPa；当焊接温度在970～980 ℃时，界面扩散以液相扩散为主，接头处扩散充分，不存在扩散孔洞；当焊接温度为970 ℃时，抗拉强度能达到946 MPa；当焊接温度为980 ℃时，抗拉强度能达到965 MPa，在该阶段，由于扩散反应已经较充分，随着焊接温度的升高，抗拉强度提升趋势逐步变缓。

图2 焊接温度对接头抗拉强度的影响

图3 拉伸试件图

3 结论

(1)采用Ni箔中间层可以实现先固相后液相的TC4液相界面扩散焊，基于Ni-Ti共晶点及TC4材料的相变温度点选择焊接温度，最终选择为970 ℃。

(2)当焊接温度为970 ℃，保温时间为120 min，焊接压力为0.1 MPa时，扩散接头抗拉强度达到946 MPa，接近母材抗拉强度。